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1、第8章 PWM直流脉宽调速系统,8.1 直流脉宽调制电路的工作原理 8.2 脉宽调速系统的控制电路 8.3 PWM直流调速装置的系统分析 8.4 由PWM集成芯片组成的直流脉宽调速系统实例,811不可逆、无制动力PWM变换器 不可逆PWM变换器就是直流斩波器，其原理如图82所示。它采用了全控式的电力晶体管，开关频率可达数十千赫。直流电压US由不可控整流电源提供，采用大电容滤波，二极管VD在晶体管VT关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。 大功率晶体管VT的基极由脉宽可调的脉冲电压ub驱动，当ub为正时，VT饱和导通，电源电压Us 通过VT的集电极回路加到电动机电枢两端；当ub为负时，VT
2、截止，电动机电枢两端无外加电压，电枢的磁场能量经二极管VD释放（续流）。电动机电枢两端得到的电压UAB为脉冲波，,8.1 直流脉宽调制电路的工作原理,下一页,返回,其平均电压为 式中, ton /T为一个周期T中，大功率晶体管导通时间的比率，称为负载电压系数或占空比, 的变化范围在01之间。一般情况下周期T固定不变，当调节ton ，使ton 在0T范围内变化时，则电动机电枢端电压Ud在0 Us 之间变化，而且始终为正，因此，电动机只能单方向旋转，为不可逆调速系统。这种调节方法也称为定频调宽法。 图83所示为稳态时电动机电枢的脉冲端电压ud、电枢电压平均值Ud、电动机反电势E和电枢电流id的波形
3、。,8.1 直流脉宽调制电路的工作原理,下一页,返回,上一页,由于晶体管开关频率较高，利用二极管VD的续流作用，电枢电流Id是连续的，而且脉动幅值不是很大，对转速和反电势的影响都很小，为突出主要问题，可忽略不计，即认为转速和反电势为恒值。 812不可逆、有制动力PWM变换器 图82所示的简单不可逆电路中，电流id不能反向，因此不能产生制动作用，只能作单象限运行。需要制动时，必须具有反向电流一id的通路。因此应该设置控制反向通路的第二个功率晶体管，如图84(a)所示。这种电路组成的PWM传动系统可在一、二两个象限运行。,8.1 直流脉宽调制电路的工作原理,下一页,返回,上一页,此时，功率晶体管
4、VT1、和VT2的驱动电压大小相等、方向相反，即UG1 UG2 。当电机在电动状态下运行时，平均电压应为正值，一个周期内分两段变化。 在0 t TON 期间(TON为VT1导通时间)，UG1 为正，VT1饱和导通；UG2为负，VT2截止。此时，电源电压US加到电枢两端，电流id沿图中的回路1流通。 在TON t T期间，UG1、UG2 都变极性，VT1截止，但由于电流i d沿回路2经二极管VD2 续流。在VD2 两端产生的压降(其极性如图84(a)所示)给VT2施加反压，VT2并不导通。因此，实际上是VT1、VD2交替导通，VT2而始终不通，,8.1 直流脉宽调制电路的工作原理,下一页,返回,
5、上一页,其电压和电流波形如图84(b)所示，波形和图83的情况一样。 如果在电动运行中要降低转速，则应该先减小控制电压，使UG1的正脉冲变窄，负脉变宽，从而使平均电枢电压Ud降低。但由于惯性的作用，转速和反电动势还来不及立即变化，造成反电动势E Ud的局面。这时VT2就在电机制动中发挥作用。 现在分析处于制动状态的工作情况。在TONtT期间，UG2变正，VT2导通，产生的反向电流id沿回路3通过VT2流通，产生能耗制动，直到tT为止。在TtTTON（也就是0tTON）期间，VT2截止，id沿回路4通过VD1续流，对电源回馈制动，,8.1 直流脉宽调制电路的工作原理,下一页,返回,上一页,同时在
6、VD1上的压降使VT1不能导通。在制动过程中VT2和VD1轮流导通，而VT1始终截止，电压和电流波形如图84(c)所示。反向电流的制动作用使电机转速下降，直到新的稳态。 最后应该指出，当直流电源采用半导体整流装置时，在回馈制动阶段电能不可能通过它回送电网，只能向滤波电容C充电，从而造成瞬间的电压升高，称“泵升电压”。如果回馈能量大，泵升电压太高，将危及功率开关器件和整流二极管，必须采取措施加以限制。,8.1 直流脉宽调制电路的工作原理,下一页,返回,上一页,813可逆PWM变换器 为了克服不可逆变换器的缺点，提高调速范围，使电动机在四个象限中运行，可采用可逆PWM变换器。可逆PWM变换器在控制
7、方式上可分双极式、单极式和受限单极式三种。 1.双极式PWM变换器 双极式PWM变换器主电路的结构形式有H型和T型两种，我们主要讨论常用H型变换器。如图85所示，双极式H型PWM变换器由四个晶体管和四个二极管组成，其连接形状如同字母H，因此称为“H型”PWM变换器。它实际上是两组不可逆PWM变换器电路的组合。,8.1 直流脉宽调制电路的工作原理,下一页,返回,上一页,“H型”可逆输出的PWM脉宽调制电路，根据输出电压波形的极性可分为双极式和单极式两种方式，它们的电路连接形式是一样的，如图85所示，区别只是四个晶体管基极驱动信号的极性不同。 在图85所示的电路中，四个晶体管的基极驱动电压分为两组
8、，VT1 和VT4 同时导通和关断，其驱动电压ub1 ub4；VT2 和VT3同时导通和关断，其驱动电压ub2 ub3ub1，它们的波形如图86所示。 在一个周期内，当0tton 时，ub1和ub4 为正，晶体管VT1 和VT4饱和导通；而ub2和ub3为负，VT2和VT3截止。这时，电动机电枢AB两端电压uAB=+US，,8.1 直流脉宽调制电路的工作原理,下一页,返回,上一页,电枢电流id从电源US的正极VT1电动机电枢 VT4到电源US的负极。 当ton tT时，ub1和ub4变负，VT1和VT4截止；ub2和ub3变正，但VT2和VT3并不能立即导通，因为在电动机电枢电感向电源US 释
9、放能量的作用下，电流id沿回路2经VD2和VD3形成续流，在VD2和VD3上的压降使VT2 和VT3 的集电极发射极间承受反压，当id过零后，VT2和VT3导通，id反向增加，到tT时id达到反向最大值，这期间电枢AB两端电压uABUS。 由于电枢两端电压uAB 的正负变化，使得电枢电流波形根据负载大小分为两种情况。,8.1 直流脉宽调制电路的工作原理,下一页,返回,上一页,当负载电流较大时，电流id的波形如 图8一6中的id1，由于平均负载电流大，在续流阶段( tontT) 电流仍维持正方向，电动机工作在正向电动状态；当负载电流较小时，电流id的波形如图8一6中的id2，由于平均负载电流小，
10、在续流阶段，电流很快衰减到零，于是VT2和VT3的C一E极间反向电压消失，VT2 和VT3导通，电枢电流反向，id从电源US正极VT2电动机电枢 VT3电源US 负极，电动机处在制动状态。同理，在0tT期间，电流也有一次倒向。 由于在一个周期内，电枢两端电压正负相间，即在0tton期间为US ，在tontT期间为US所以称为双极性PWM变换器。利用双极性PWM变换器，我们只要控制其正负脉冲电压的宽窄，,8.1 直流脉宽调制电路的工作原理,下一页,返回,上一页,就能实现电动机的正转和反转。当正脉冲较宽时（tonT/2），则电枢两端平均电压为正，电动机正转；当正脉冲较窄时（tonT/2） ，电枢两
11、端平均电压为负，电动机反转；如果正负脉冲电压宽度相等（tonT/2） ，平均电压为零，则电动机停止。此时电动机的停止与四个晶体管都不导通时的停止是有区别的，四个晶体管都不导通时的停止是真正的停止。平均电压为零时的电动机停止，电动机虽然不动，但电动机电枢两端瞬时电压值和瞬时电流值都不为零，而是交变的，电流平均值为零，不产生平均力矩，但电动机带有高频微振，因此能克服静摩擦阻力，消除正反向的静摩擦死区。,8.1 直流脉宽调制电路的工作原理,下一页,返回,上一页,双极式可逆PWM变换器电枢平均端电压可用公式表示为 以 =Ud/US来定义PWM电压的占空比，则与ton的关系为 调速时， 的变化范围变成
12、1 1 。当 为正值时，电动机正转；当 为负值时，电动机反转；当 0 时，电动机停止。 双极式PWM变换器的优点是：电流连续，可使电动机在四个象限中运行，电动机停止时，有微振电流，能消除静摩擦死区，低速时每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，,8.1 直流脉宽调制电路的工作原理,下一页,返回,上一页,有利于晶体管的可靠导通，平稳性好，调速范围大。 双极式PWM变换器的缺点是：在工作过程中，四个大功率晶体管都处于开关状态，开关损耗大，且容易发生上下两管同时导通的事故，降低了系统的可靠性。 为了防止双极式PWM变换器的上、下两管同时导通，可在一管关断和另一管导通的驱动脉冲之间，设置逻辑延时环节。 2单极式P
13、WM变换器 单极式PWM变换器的电路和双极式PWM变换器的电路一样，只是驱动脉冲信号不一样。在单极式PWM变换器中，四个晶体管基极的驱动电压是：左边两管VT1 和VT2 的驱动脉冲ub1ub2，,8.1 直流脉宽调制电路的工作原理,下一页,返回,上一页,具有与双极式一样的正负交替的脉冲波形；使VT1和VT2交替导通。右边两管VT3 和VT4的驱动脉冲与双极性时不同，改成因电动机的转向不同而施加不同的直流控制信号。 如果电动机正转，就使ub3恒为负，ub4恒为正，使VT3 截止，VT4饱和导通，VT1和VT2仍工作在交替开关状态。这样，在0tton期间，电动机电枢两端电压uAB =US，而在to
14、ntT期间，uAB=0。在一个周期内电动机电枢两端电压uAB总是大于零的，所以称为单极式PWM变换器。电动机正转时的电压电流波形如图87所示。 如果希望电动机反转，就使ub3恒为正，ub4恒为负，使VT3饱和导通，VT4截止，VT1和VT2仍工作在交替开关状态。,8.1 直流脉宽调制电路的工作原理,下一页,返回,上一页,这样，在0tton期间，电动机电枢两端电压uAB=0 ；而在tontT期间，uABUS。 由于单极式PWM变换器的VT3、VT4二者中总有一个常通，而另一个截止，这一对开关元件无须频繁交替导通，因而减少了开关损耗和上下管同时导通的几率，可靠性得到提高。同时，当电动机停止工作时，
15、Ud0，其瞬时值也为零，因而空载损耗也减少了。但此电路无高频微振，启动较慢，其低速性能不如双极性的好。 3受限单极式PWM变换器 在单极式PWM变换器电路中有一对晶体管开关元件VT1和VT2交替导通，仍有上下管直通的危险。,8.1 直流脉宽调制电路的工作原理,下一页,返回,上一页,如果将控制方式进行适当的改进，当电动机正转时，让ub2恒为负，使VT2一直截止，VT1则处于开关工作状态；当电动机反转时，让ub1恒为负，使VT1一直截止，VT2 处于开关工作状态，其它晶体管的驱动信号与单极式电路相同，这样就不会产生上下管直通的故障了，这种控制方式称为受限单极式。 受限单极式PWM变换器在负载较重时
16、，电流单方向连续变化，因而电压、电流波形与单极式电路一样；但当负载较轻时，若通过VD的续流电流衰减到零，电流会出现断续的现象，这时电动机电枢两端的电压uAB跳变为US。断续现象将使PWM调速系统的动、静态特性变差，换来的好处是系统的可靠性得到了提高。,8.1 直流脉宽调制电路的工作原理,返回,上一页,821直流脉宽调制器 在直流脉宽调速系统中，晶体管基极的驱动信号是脉冲宽度可调的电压信号。脉宽调制器实际上是一种电压一脉冲变换器，由电流调节器的输出电压UC 控制，给PWM装置输出脉冲电压信号，其脉冲宽度和 UC 成正比。常用的脉宽调制器有以下几种： 用锯齿波作调制信号的锯齿波脉宽调制器； 用三角
17、波作调制信号的三角波脉宽调制器； 用多谐振荡器和单稳态触发电路组成的脉宽调制器； 数字脉宽调制器。,8.2 脉宽调速系统的控制电路,下一页,返回,下面以锯齿波脉宽调制器为例来说明脉宽调制原理。 锯齿波脉宽调制器是一个由运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器，如图88所示。 图88中，加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号，一个输入信号是锯齿波调制信号Usa，由锯齿波发生器提供，其频率是主电路所需的开关调制频率；另一个输入信号是控制电压UC，是系统的给定信号经转速调节器、电流调节器输出的直流控制电压，其极性与大小随时可变，UC与 Usa在运算放大器的输出端叠加，从而在运算放大器的输出端得到
18、周期不变、脉冲宽度可变的调制输出电压Upw；为了得到双极式脉宽调制电路所需的控制信号，,8.2 脉宽调速系统的控制电路,下一页,返回,上一页,再在运算放大器的输入端引入第三个输入信号负偏差电压Up，其值为 这样，当UC =0 时，输出脉冲电压Upw的正负脉冲宽度相等，如图89（a）所示。 当 UC0 时UC的作用和Up相减，经运算放大器倒相后，输出脉冲电压 Upw的正半波变窄，负半波变宽，如图89（b）所示。 当 UC0时，UC的作用和Up相加，则情况相反，输出脉冲电压Upw的正半波增宽，负半波变窄，如图89（c）所示。,8.2 脉宽调速系统的控制电路,下一页,返回,上一页,这样，通过改变控制
19、电压UC 的极性，也就改变了双极式PWM变换器输出平均电压的极性，因而可改变电动机的转向。通过改变控制电压UC 的大小，则就能改变输出脉冲电压的宽度，从而改变电动机的转速。 822逻辑延时电路 在可逆PWM变换器中，由于晶体管的关断过程中有一段存储时间和电流下降时间，总称关断时间，在这段时间内晶体管并未完全关断。如果在此期间另一个晶体管已经导通，则将造成上下两管直通，从而导致电源正负极短路。为了避免发生这种情况，在系统中设置了由RC电路构成的逻辑延时电路DLD，,8.2 脉宽调速系统的控制电路,下一页,返回,上一页,保证在对一个管发出关闭脉冲后，延时一段时间后再发出对另一个管子的开通脉冲。由于
20、晶体管导通时也存在开通时间，所以，延时时间只要大于晶体管的存储时间就可以了。 823基极驱动电路和保护电路 脉宽调制器输出的脉冲信号一般功率较小，不能用来直接驱动主电路的晶体管，必须经过基极驱动电路的功率放大，以确保晶体管在开通时能迅速达到饱和导通，关断时能迅速截止。基极驱动电路的每个开关过程包含三个阶段，即开通、饱和导通和关断。 在采用大功率晶体管的电机拖动电路中，电源容量很大，如果大功率晶体管损坏了，,8.2 脉宽调速系统的控制电路,下一页,返回,上一页,就有可能在基极回路中流过很大的电流，为了防止晶体管故障时损害基极电路，晶体管的驱动电路必须要有快速自动保护功能。现在，有专门的驱动保护集
21、成电路，如法国汤姆逊（THOMSON）公司生产的UAA4002芯片，可以实现对功率晶体管的最优基极驱动，同时实现对开关晶体管的非集中保护。UAA4002芯片的原理框图如 图810所示。,8.2 脉宽调速系统的控制电路,返回,上一页,831总体结构 对直流调速系统而言，一般动、静态性能较好的调速系统都采用双闭环控制系统，因此，对直流脉宽调速系统，我们也将以双闭环为例予以介绍。 直流脉宽调速系统的原理如图811所示，由主电路和控制电路两部分组成，采用转速、电流双闭环控制方案，转速调节器和电流调节器均为PI调节器，转速反馈信号由直流测速发电机TG得到，电流反馈信号由霍尔电流变换器得到，这部分的工作原
22、理与双闭环直流调速系统相同。,8.3 PWM直流调速装置的系统分析,下一页,返回,主电路采用PWM变换器，主要由脉宽调制变换器UPW、调制波发生器GM、逻辑延时电路DLD和电力晶体管基极驱动器CD组成，其中关键的部件是脉宽调制变换器。 832PWM脉宽调制变换器的传递函数 根据脉宽调制变换器的工作原理，当控制电压Uct改变时，PWM变换器的输出电压要到下一个周期才改变，它的延时最大不超过一个开关周期T。由于在脉宽调速系统中，PWM变换器的开关频率较高，因此常将PWM变换器的滞后环节看作一阶惯性环节，于是其动态模型可用一阶惯性环节和一个纯比例环节的串联来描述，,8.3 PWM直流调速装置的系统分
23、析,下一页,返回,上一页,其传递函数为 式中 为变换器放大系数 Ud为PWM变换器的输出电压 Uct为PWM变换器的控制电压 833系统分析 由图811 可知，这是一个典型的转速、电流双闭环控制方案，这部分的工作原理与晶闸管双闭环直流调速系统相同，读者可参照分析其电流环及转速环，并得到相应的数学模型，在此不再赘述。,8.3 PWM直流调速装置的系统分析,返回,上一页,PWM控制系统经过十多年的发展，国外在1980年左右开始进入控制电路集成化阶段。市场出售的单片集成PWM控制电路的产品较多，例如美国Silicon general公司用于电机控制的新型SGl73I型PWM集成电路，SG1635半桥
24、驱动器，日本三菱(MITSUBISHl)电气公司的晶体管驱动模块M 57215L混合集成电路等。 下面简要介绍一种由SGl731型PWM集成电路构成的PWM速度伺服系统。 841SG1731芯片简介 SG1731是美国 Silicon General 公司针对直流电动机PWM控制而设计的单片IC，也可用于液压PWM控制。,8.4 由PWM集成芯片组成的直流脉宽调速系统实例,下一页,返回,该芯片可以实现两个象限的脉宽调制，内置三角波发生器、误差运算放大器、比较器及桥式功放电路等。其原理是把一个直流电压与三角波叠加形成脉宽调制方波，加到桥式功放电路上输出。其PWM比较器外部可编程，其输出电路为带有
25、续流二极管的全桥图腾柱（Totem Pole，推挽电路），可提供100mA、32V的驱动能力。支持单、双电源。 SG1731的管脚排列和内部结构如图812所示。 SG1731管脚的基本功能如下： 16脚和9脚接电源US（3.515V），用于芯片的控制电路。,8.4 由PWM集成芯片组成的直流脉宽调速系统实例,下一页,返回,上一页,14脚和11脚接电源 UO（2.522V），用于桥式功放电路。 比较器A1、A2，双向恒流源及外接电容C组成三角波发生器，其振荡频率f 由电容C和外供正负参考电压 2u+、2u（2脚和7脚）决定： 式中：u= 2u+ 2u 。 A3为偏差放大器，3脚为正相输入端，4脚
26、为反相输入端，5脚为输出端。,8.4 由PWM集成芯片组成的直流脉宽调速系统实例,下一页,返回,上一页,A4、A5为比较器，外加电压UT 、UT 为正负门槛电压。 15脚为关断控制端，当该输入端为低电平时，封锁输出信号。 10脚为芯片片基，6脚外接电容后接地。 842. 由SG1731组成的直流调速系统 如图813所示为SG1731组成的直流调速系统。SG1731的12脚、13脚可输出 100mA的电流，图中电流调节器由SG1731偏差放大器外接RC构成PI调节器。系统工作原理与双闭环直流调速系统类似，可自行参考有关资料进行分析。,8.4 由PWM集成芯片组成的直流脉宽调速系统实例,返回,上一页,图82不可逆PWM变换器电路原理图,返回,图83 电压和电流波形图,返回,图 84 有制动能力的PWM系统,返回,图85 双极式H型PWM变换器原理图,返回,图86 双极式PWM变换器电压电流波形图,返回,图87 单极式PWM变换器电压电流波形图,返回,图88 锯齿波脉宽调制器原理图,返回,图89锯齿波脉宽调制器波形图,返回,图810 UAA4002原理框图,返回,图811 直流脉宽调速系统原理图,返回,图812 SG1731的管脚排列和内部结构原理图,返回,（a）管脚排列 （b）内部结构原理图,图813 SG1731组成的PWM直流调速系统,返回,